Arduino 328p

A placa Arduino Pro Mini é uma placa de microcontrolador baseado no ATmega328p. Possui 14 pinos digitais de entrada/saída (dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM), 6 entradas analógicas, 1 UART (porta serial de hardware), um cristal oscilador de 16 MHz, a conexão USB é dada através de um conversor FTDI para realizar a programação do mesmo. O mais importante deste processador é a possibilidade de modificações para a implementação de técnicas de hibernação, reduzindo o consumo de energia de forma significativa. A placa retorna em seu estado normal através de interrupção externa, em um dos dois pinos que possuem essa função.

A placa Arduino será responsável pelo processamento dos eventos, pois a biblioteca LMIC, responsável pelo envio de dados através de LoRaWAN, é baseada em agendamento de eventos, portanto, o Arduino é responsável pelos mesmos. Uma representação da placa foi apresentada na Figura 2.4.

3.1.2 Reed Switch

Um sensor magnético (Reed switch) é uma chave controlada por um campo magné- tico aplicado na proximidade. É composto de 2 placas metálicas encapsuladas em um re- cipiente hermeticamente selado. Uma das placas é fixa, invariante a mudanças no campo magnético presentes, já a outra é composta de material magnético. Portanto, quando um ímã é posicionado próximo de um Reed swicth, o contato que é normalmente aberto, se fecha.

A aplicação no monitoramento de abertura de chaves fusíveis se dará da seguinte maneira: em uma caixa, junto com a placa Arduino, estará um tubo com um ímã, no final deste tubo, um Reed switch conectado ao Arduino. Quando a chave fusível for aberta, pela gravidade o ímã percorrerá o tubo (este, fixo) até a extremidade que contém o Reed switch, que provocará uma interrupção no Arduino, indicando para enviar um dado através do protocolo LoRaWAN. Os envios se repetirão a cada minuto até que a chave seja fechada novamente pela equipe de manutenção. Com isso, o ímã retornará para sua posição inicial, abrindo o circuito do Reed switch. O Arduino entrará em modo de hibernação, e o processo se repetirá quando a chave fusível for aberta novamente.

Na Figura 3.2 é apresentado um Reed switch. Um esquema da forma que o sistema identificará a abertura da chave é apresentado na Figura 3.3.

Figura 3.2 – Reed switch

Fonte: Karwath (2005).

Figura 3.3 – Funcionamento do monitoramento pelo Reed switch.

Fonte: Autor.

3.1.3 Módulo LoRa RFM95

O envio dos dados por LoRa se dá através do Módulo RFM95, que possui as se- guintes características:

• Faixa de Frequências: 137-1020 MHz; • Fator de Espalhamento: 6-12;

• Largura de Banda: 7.8-500kHz; • Taxa de Bits Efetiva: 0.18-37.5 kbps; • Sensibilidade Estimada: -111 a -148 dBm.

O módulo está apresentado na Figura 3.4.

O módulo utilizado é em sua versão 915 MHz, para o funcionamento com redes brasileiras. Como destaque, temos o consumo de potência de apenas 0,2 µA em modo de hibernação. Quando enviando dados, o módulo consome 120 mA, porém por um curto

Figura 3.4 – Módulo LoRa RFM96

Fonte: Hoperf (2016).

período de tempo, possibilitando a operação com bateria, já que os envios são limitados a um longo período de tempo. Esses envios programados são necessários para certificação de que o sistema está em pleno funcionamento, com o envio da tensão da bateria assim como o estado da chave fusível.

A comunicação do módulo com o Arduino se dá por uma interface serial de perifé- ricos (SPI, do inglês Serial Peripheral Interface). Utilizando uma conexão SPI, sempre há um dispositivo mestre (neste caso o Arduino), que controle o dispositivo periférico (neste caso o módulo RFM95). Tipicamente existem 4 conexões comuns a todos os dispositivos (ARDUINO, 2019):

• MISO: (Entrada do Mestre, Saída do Escravo, do inglês Master In Slave Out) Linha em que o Escravo manda informações para o Mestre;

• MOSI: (Saída do Mestre, Entrada do Escravo, do inglês Master Out Slave In) Linha em que o Mestre manda informações para os Escravos;

• SCK: (Clock do sistema, do inglês System Clock ) Pulsos de clock que sincronizam a transmissão de dados gerada pelo Mestre;

• SS: (Seleção de Escravo, do inglês Slave Select) Pino no qual o Mestre habilita a comunicação. Com isso, é possível utilizar diversos dispositivos compartilhando os mesmos pinos de MISO, MOSI e SCK, cada um atuando por vez.

3.1.4 Caixa

Todos os componentes do dispositivo necessitam estarem abrigados em uma caixa, resistente à entrada de água, pois a caixa ficará exposta ao tempo. Para isso, a caixa

escolhida para o protótipo possui as seguintes dimensões: 3,5 cm de altura, 5 cm de largura e 12,5 cm de comprimento, podendo ser vista na Figura 3.5.

Figura 3.5 – Caixa do dispositivo

Fonte: Autor.

3.1.5 Biblioteca Low-Power

Para o desenvolvimento deste trabalho, foi utilizada uma biblioteca customizada e otimizada para o microcontrolador ATmega328p, chamada de Low-Power, desenvolvida pelo usuário do Github rocketscream (ROCKETSCREAM, 2019).

Quando o ATmega328p está em modo ativo, sempre estará executando continua- mente milhares de instruções por segundo. Seus periféricos também estão ativos, como por exemplo o conversor analógico-digital, SPI, timers, I2C, USART, Watchdog Timer e a detecção de subtensão (BOD), consumindo potência.

Para reduzir o consumo de potência, o ATMega328p suporta alguns modos de sono, no qual periféricos não utilizados podem ser desativados. Esses modos diferem em quais partes permanecem ativas, pela duração e pelo tempo necessário para retornar ao modo normal. Com isso, foram desenvolvidas diversas customizações desses modos de sono pelo usuário rocketscream, através da biblioteca Low-Power.

LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF)

põe o microcontrolador em sono entre 16 ms e 8s, dependendo do primeiro argumento. Esse modo desativa o conversor AD e o BOD. Esse modo de sono significa que todas as funções do chip estão desativadas até a próxima interrupção. Somente interrupções em INT1 e INT2, interrupções de mudança de pinos ou o Watchdog timer conseguem trazer o microcontrolador de volta ao estado normal.

A seguir, na Tabela 3.1, é realizada uma comparação entre os modos de sono com e sem o uso da biblioteca, para um microcontrolador ATmega 328p.

Tabela 3.1 – Consumo em diferentes modos de sono

ATmega328P Pro Mini

Fonte de

tensão Estado 5.0 V @ 16 MHz 3.3 V @ 8 MHz

Sem modificações RAW ACT 19.9 mA 4.74 mA

Sem modificações RAW PDS 3.14 mA 0.90 mA

Sem LED RAW ACT 16.9 mA 3.90 mA

Sem LED RAW PDS 0,0232 mA 0.0541 mA

Sem LED,

sem regulador VCC ACT 12,7 mA 3,58 mA

Sem LED,

sem regulador VCC PDS 0,0058 mA 0,0045 mA

Fonte: Adaptado de Neuy (2017).

3.1.6 Bateria

É necessário definir uma bateria capaz de garantir a operação plena do disposi- tivo por uma longa vida útil. No total, o sistema possui dois agentes responsáveis por um consumo significativo de potência: o microcontrolador e o módulo LoRa. Durante o de- senvolvimento prático, foram utilizadas bibliotecas customizadas para o microcontrolador, que desativam diversas funções não utilizadas, o microcontrolador entra em um estado de sono profundo. Com a utilização dessa biblioteca, é possível manter o microcontrolador com um consumo de 7 µA (ROCKETSCREAM, 2019).

Analisando o datasheet do fabricante do módulo LoRa, o mesmo também apresenta estado de sono profundo automático. Portanto, a operação do módulo se divide em duas situações: Envio e Não envio. Durante o envio, que dura milissegundos (dependendo do fator de espalhamento utilizado), o módulo consome entre 20 e 120 mA. No estado de sono automático, o módulo consome entre 0,2 e 1 µA (HOPERF, 2016).

O envio dos dados se dará de duas formas: periódico (1 vez ao dia), para garantir que o sistema está em pleno funcionamento, e também quando a chave fusível é aberta,

repetindo o envio a cada minuto até que o problema seja resolvido. Portanto, em situações normais, em quase a totalidade do dia, o consumo do sistema no geral é reduzido. Para isso, foi utilizada uma bateria com a capacidade de 530 mAh, de tensão nominal de 3,7 V e código LB530LP1. A bateria está apresentada na Figura 3.6.

Figura 3.6 – Bateria utilizada para o dispositivo.

Fonte: Autor.

Para o cálculo da autonomia do sensor e para verificar a necessidade de carrega- mento da bateria através de painel solar, são analisadas duas situações: operação normal e chave aberta.

Em operação normal, temos um consumo de 7 µA do microcontrolador e 1 µA do módulo LoRa, portanto com um envio (utilizando um total de 5 segundos entre o microcon- trolador despertar e enviar, para dormir novamente), temos:

(7µA + 1µA) ∗ 1000mA/A ∗ (23h + 59min 60min/h +

55s

3600s/h) = 0, 192mAh/dia (3.1) Já durante o envio, temos o consumo do microcontrolador e do módulo de 19,9 mA e 120 mA, respectivamente, portanto:

(19, 9mA + 120mA) ∗ 5s

3600s/h = 0, 0276mAh/dia (3.2)

Com isso, temos um consumo diário de 0,2196 mAh. Neste cenário, levando em conta um fator de 15 % de auto descarga, temos uma vida útil de 2051 dias, ou 5,69 anos. Porém este cenário apenas leva em conta um funcionamento onde a chave fusível nunca é aberta.

Para a próxima estimativa, é suposto que a chave fusível é aberta uma vez a cada semana, e em cada vez que é aberta, leva-se 1 hora para solucionar o problema. Utilizando os mesmos consumos, temos para o sono:

(7µA + 1µA) ∗ 1000mA/A ∗ [(24h ∗ 6d) + 23h + 54min 60min/h+ 25s 3600s/h] = 1, 34mAh/semana (3.3) E para os envios: (19, 9mA + 120mA) ∗ ( 5s ∗ 60 3600s/h + 7 ∗ 5s) = 13mAh/semana (3.4) Este caso, que em muitas vezes retrata mais a realidade, temos um consumo de 31,4 mAh por semana, com a duração da bateria de 220 dias, ou seja, menos de um ano. Para isso, a alternativa de carregamento solar se mostra uma boa ideia, que será tratada a seguir.

3.1.7 Carregamento Solar

Analisando os componentes utilizados, é possível ter uma estimativa do consumo total do sistema, com a bateria escolhida, deve-se determinar o carregamento da mesma através de um painel solar, visto que o dispositivo ficará exposto ao tempo, colocado junto a chaves fusíveis, geralmente com grande exposição solar. Vale ressaltar que o sistema é desenvolvido para apresentar um baixíssimo consumo de energia, então, o carregamento solar é opcional, apenas para aumentar a vida útil do sistema.

Para isso, nessa seção será abordado a parte do carregamento das baterias através de energia solar, serão abordados os módulos e bateria utilizados.

3.1.7.1 Painel Solar

Para o projeto do painel solar, é necessário avaliar o tamanho da caixa na qual o dispositivo será instalado e também o consumo de todos os integrantes do dispositivo.

A caixa, apresentada na Seção 3.1.4, possui as seguintes dimensões: 3,5 cm de altura, 5 cm de largura e 12,5 cm de comprimento. Por isso, foi utilizado um painel solar de 5,3 cm x 3 cm, com o propósito de ser instalado no topo da caixa. O painel solar está apresentado na Figura 3.7.

Este módulo possui uma tensão de operação de 5 V e corrente nominal de 30 mA. Como descrito na Seção 3.1.6, temos que o consumo total do módulo é bem baixo, portanto um painel de 30 mA consegue manter a operação do sistema. Após, é necessário escolher o módulo responsável pelo carregamento da bateria, para regular a tensão de carregamento quando há disponibilidade de energia solar.

Figura 3.7 – Painel solar utilizado

Fonte: Autor.

3.1.7.2 Módulo TP4056

Para o carregamento da bateria, foi utilizado o módulo TP4056, responsável por regular a tensão fornecida para a bateria em 4,2 V. É um carregador linear de corrente constante/tensão constante para baterias de íon de lítio. O módulo com o TP4056 pos- sui apenas um elemento variável, para definir a corrente limite de carga. A Figura 3.8 apresenta a ligação do módulo.

Figura 3.8 – Ligação do módulo TP4056

Fonte: NanJing (2017).

A configuração do resistor RPROG se dá de acordo com a Tabela 3.2.

Portanto, como o painel solar adotado, quando em funcionamento pleno, tem uma tensão de 5V e uma corrente de 30mA, é escolhido o maior valor para RPROG, neste caso,

Tabela 3.2 – Relação entre o resistor RPROG e a corrente fornecida para a bateria. RPROG(k) IBAT(mA) 10 130 5 250 4 300 3 400 2 580 1,66 690 1,5 780 1,33 900 1,2 1000

Fonte: Adaptado de NanJing (2017).

3.2 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA

Com todos os módulos pertencentes ao desenvolvimento prático do sistema já abor- dados, parte-se para uma descrição do funcionamento do sistema como um todo, primei- ramente, será abordada a implementação prática para integrar cada serviço, hardware e software com outros, afim de desenvolver um protótipo operante.

3.2.1 Diagrama de Blocos

Em resumo, temos que o dispositivo deverá enviar informações em duas situações: quando a chave fusível abrir, repetindo o envio em um pequeno intervalo de tempo, como por exemplo, 1 minuto, para o sistema possuir uma redundância, ou também em um inter- valo maior de tempo, como por exemplo, a cada dia, para se ter certeza de que a bateria está em funcionamento pleno.

Portanto, o funcionamento se dará da seguinte forma: em qualquer momento que a chave fusível abrir, é verificada uma interrupção pelo reed switch, com isso, as interrupções são desabilitadas, para a interpretação inicial, agenda-se um envio para o mesmo instante. O código responsável pelo agendamento de envios então verifica se de fato, a chave fusível está aberta, para evitar falsos positivos. Se sim, um dado indicando a abertura é enviado, e o próximo agendamento é feito para depois de 1 minuto. Se a chave não estiver aberta, é enviado um dado indicando que a mesma encontra-se fechada e o próximo agendamento é realizado para o próximo dia, nesse caso, as interrupções são habilitadas novamente e nesse ponto, o código de ambas as situações se encontra na mesma linha, que indica o dispositivo para entrar em sono profundo. O funcionamento detalhado, através de um diagrama de blocos, é mostrado na Figura 3.9.

Figura 3.9 – Diagrama de blocos projetado para o sistema.

Fonte: Autor.